CN104741741A - 一种连续管的管管对接全位置自动tig焊工艺 - Google Patents

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Abstract

一种连续管的管管对接全位置自动TIG焊工艺，先矫直连续管两侧管端，再进行两侧管端V型或U型坡口加工，其次清理管端接头内外壁，然后对口组装，再采用全位置自动TIG焊对连续管对接接头进行不填丝打底焊、填充焊、盖面焊，焊接时，焊枪起弧位置在1：30或2：00处，采取分区间焊接工艺方法进行焊接；本发明焊接工艺实现了连续管管-管对接焊由传统的手工TIG焊转为全自动TIG焊，提高了工作效率，降低了劳动强度，获得了综合性能优异的连续管焊接接头。

Description

一种连续管的管管对接全位置自动TIG焊工艺
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种连续管的管管对接全位置自动TIG焊工艺。
背景技术
连续管(Coiled Tubing，简称CT，又被称作连续油管、挠性油管、蛇形管或盘管)是连续管作业技术的基础和重要组成部分，它是一种长达几百米至几千米的没有接头的管子，主要是钢材制成，盘绕在大直径(一般约为1m以上)卷筒上。近年来，连续管及其作业机组成的连续管作业技术，随着石油工业的发展，在石油勘探、钻井、洗井、石油运输等领域的用途和作用日显突出，由于其应用范围广，使用方便等，被誉为“万能作业设备”。
作业施工过程中，盘绕在卷筒上的连续管经过牵引、拉直、弯曲转向和再次校直后，被送入井下，成为作业介质输送的载体和工作管柱；作业后，卷筒反向运动，将连续管由井下拽扯提升出来，重新盘绕到卷筒上，以便反复使用。连续油管作业中不可避免会产生连续管管体的局部损伤和失效，去除局部损伤和失效的管体，在现场进行连续管的管-管对接焊是解决该问题的唯一方法。
然而，目前国内外连续管对接焊方法主要以手工TIG(钨极氩弧焊)焊为主，这种对接焊工艺存在焊接效率低，焊工劳动强度大，对焊工的操作技能要求高，不能适应自动化程度越来越高的焊接工艺的发展。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种连续管的管管对接全位置自动TIG焊工艺，实现连续管管-管对接焊由传统的手工TIG焊转为全自动TIG焊，提高了工作效率，降低了劳动强度，获得了综合性能优异的连续管焊接接头。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种连续管的管管对接全位置自动TIG焊工艺，包括以下步骤：
(一)矫直截断管端部，距管端500mm范围内粗矫和精矫，使管体直线度达0.85‰，满足矫直精度要求，只有经过粗矫和精矫处理，才可以保证组对后两管体轴线重合，使之能在无应力状态下对接；
(二)坡口加工，采用型号ISY-80内涨式坡口机将两管端加工成V型或U型坡口，V型坡口单边37°±2°，钝边0.5-0.8mm；U型坡口单边斜面角度25°±2°，钝边长度2-3mm，钝边厚度1.5-1.8mm，坡口与钝边之间圆滑过渡，过渡圆弧的半径为1-1.5mm；
(三)管内外除湿，为防止焊接时管内外湿气影响焊接质量，离管端300mm范围内的水渍、油污等产生湿气的介质应清理干净，可采用氧-乙炔火焰均匀加热管体外壁使湿气蒸发或放置适量吸油纸除湿；
(四)管内外壁除锈，作业后的连续管管内外壁由于介质腐蚀出现锈、氧化皮及腐蚀坑，距管端10～15mm范围管内外臂需打磨清理并露出金属光泽，采用直柄角磨机，先用粒度60目棕刚玉锥形圆形磨头粗磨管内外壁，再用粒度80目布基棕刚玉圆柱形磨头抛光；
(五)对口组装，将准备好对口的两个管端放置在专利号ZL2013 20377421.7一种现场用连续管对口组焊装置上无应力装卡组对，组对间隙0-0.5mm，用一根不长于100mm的直钢板尺检查对中情况，确保对口错变量不大于管壁厚的10％且不大于0.4mm的规定值；
(六)管端加装冷却块，将组对好准备施焊的连续管管端两侧距焊口10-15mm处加装专利号ZL2013 2 0377777.0一种连续管对接焊用冷却装置，冷却装置可大大减小焊接热过程对焊缝区域的热输入，降低高温停留时间，减缓晶粒长大，从而改善焊接接头性能；
(七)管内充填保护气，焊接前，向两侧管内充填质量纯度不小于99.99％氩气，氩气流量为8-12L/min，使管内氧气的质量浓度不大于500ppm，以保证背面焊缝不被氧化，成形良好，内保护气体的承托力还可避免和减少内成形出现的内凸现象；
(八)将管-管对接全自动焊接机头TOA77装夹在连续管管体焊口侧，使焊枪正对焊缝并垂直管体切线，调节送丝位置使送丝管与焊枪的夹角为40°-45°，使送出的丝贴在钨极正下方的焊缝中心，调节钨极距焊缝的距离为1.5-3mm；
(九)焊接工艺调整和存储
采取分区间焊接的工艺方法，将连续管全位置焊缝每层分5个区间进行焊接；分3层单道填满坡口：不填丝打底焊，填充焊，盖面焊；焊丝为ER50-6或ER70S-6，直径1.0mm；钨极：铈钨极，2.4mm；电源种类及极性：直流正接；层间温度：60-100℃；氩气流量：8-12L/min；起弧位置：不填丝打底焊在钟表1：30位置，填充焊在钟表2：00位置，盖面焊在钟表1：30位置；收弧搭接量：3°-5°；
在焊接工艺参数设定如下：
不填丝打底焊：分5个区间：0°-80°为第一区间，80°-119°为第二区间，119°-220°为第三区间，220°-310°为第四区间，310°-363°为第五区间，焊接电流74-89A,电压8.0-8.4V，旋转速度170-215‰；
填充焊：分5个区间：0°-60°为第一区间，60°-180°为第二区间，180°-230°为第三区间，230°-270°为第四区间，270°-365°为第五区间，焊接电流65-72A,电压8.6-9.0V，旋转速度200-220‰，送丝速度110-120‰，横摆速度1100-1160mm/min，横摆宽度5-12mm；
盖面焊：分5个区间：0°-60°为第一区间，60°-180°为第二区间，180°-230°为第三区间，230°-270°为第四区间，270°-367°为第五区间，焊接电流60-75A,电压8.6-9.0V，旋转速度140-165‰，送丝速度100-115‰，横摆速度1100-1160mm/min，横摆宽度12-18mm；
(十)运行设备进行自动焊接，调用不填丝打底焊工艺参数进行自动焊打底，在正式焊接前，为了检验程序是否适用于被焊工件，首先进行模拟焊接，观察正常后，再启动“开始焊接”开关焊接，焊接过程中操作人员通过跟踪观察机头运行状态和实时熔池状态进行焊接参数微调，直至打底焊过程结束，打底焊结束后，同理，再调用填充焊、盖面焊程序参数进行焊接；
(十一)焊接完成后，取下冷却块，采用角磨机用80目的角磨片打磨焊道表面余高，打磨至与母材平齐；
(十二)焊后检验，采用外观检验、渗透探伤检验和X射线检验方法检测焊缝表面是否存在裂纹、气孔等缺陷；若未检出缺陷，表明焊缝内部存在缺陷的可能性较小，由于TIG焊在焊接过程中，若出现微小裂纹、气孔，裂纹、气孔会贯通每层焊道，直至盖面焊道。
按本发明的方法所得到的一种连续管管-管对接全位置自动TIG焊工艺方法，适用的连续管尺寸规格和级别是管径31.75-60.32mm(1.25-2.375in),壁厚2.2-6.35mm(0.087-0.25in)，屈服强度483-621Mpa(70-90Kpsi)的钢制连续管，实现了连续管管-管对接全自动焊，减少了人为因素的影响，提高了工作效率，获得了综合性能优异的连续管对接焊接头。
附图说明
图1为本发明的U型坡口示意图。
图2为本发明的打底焊分区示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做详细叙述。
一种连续管的管管对接全位置自动TIG焊工艺，包括以下步骤：
(一)矫直截断管端部，距管端500mm范围内粗矫和精矫，使管体直线度达0.85‰，满足矫直精度要求，只有经过粗矫和精矫处理，才可以保证组对后两管体轴线重合，使之能在无应力状态下对接。
参照图1，(二)坡口加工，采用型号ISY-80内涨式坡口机将两管端加工成V型或U型坡口，V型坡口单边37°±2°，钝边0.5-0.8mm；U型坡口单边斜面角度25°±2°，钝边长度2-3mm，钝边厚度1.5-1.8mm，坡口与钝边之间圆滑过渡，过渡圆弧的半径为1-1.5mm；适用于3.5≤壁厚≤6.35mm连续管，两种适用于连续管不同角度和壁厚的坡口形式均可避免最小电压原理影响，即电弧始终作用于坡口中心底部，不产生发散，得到光滑平整的内成型。
因为最小电压原理：在电流和周围条件一定的情况下，稳定燃烧的电弧将自动选择一适当的断面，以保证电弧的电场强度具有最小的数值，即在固定弧长上的电压最小，这意味着电弧总是保持在最小的能量消耗，电弧一旦遇到较小的坡口角度，即向两侧飘移，挺度受到影响，会造成熔深不足，产生未焊透或内成形下凹。
(三)管内外除湿，为防止焊接时管内外湿气影响焊接质量，离管端300mm范围内的水渍、油污等产生湿气的介质应清理干净，可采用氧-乙炔火焰均匀加热管体外壁使湿气蒸发或放置适量吸油纸除湿。
(四)管内外壁除锈，作业后的连续管管内外壁由于介质腐蚀出现锈、氧化皮及腐蚀坑，距管端10～15mm范围管内外臂需打磨清理并露出金属光泽，采用直柄角磨机，先用粒度60目棕刚玉锥形圆形磨头粗磨管内外壁，再用粒度80目布基棕刚玉圆柱形磨头抛光。
(五)对口组装，将准备好对口的两个管端放置在专利号ZL201320377421.7一种现场用连续管对口组焊装置上无应力装卡组对，组对间隙0-0.5mm，用一根不长于100mm的直钢板尺检查对中情况，确保对口错变量不大于管壁厚的10％且不大于0.4mm的规定值。
(六)管端加装冷却块，将组对好准备施焊的连续管管端两侧距焊口10-15mm处加装专利号ZL2013 2 0377777.0一种连续管对接焊用冷却装置，冷却装置可大大减小焊接热过程对焊缝区域的热输入，降低高温停留时间，减缓晶粒长大，从而改善焊接接头性能。
(七)管内充填保护气，焊接前，向两侧管内充填质量纯度不小于99.99％氩气，使管内氧气的质量浓度不大于500ppm，以保证背面焊缝不被氧化，成形良好，内保护气体的承托力还可避免和减少内成形出现的内凸现象。
(八)将管-管对接全自动焊接机头TOA77装夹在连续管管体焊口侧，使焊枪正对焊缝并垂直管体切线，调节送丝位置使送丝管与焊枪的夹角为40°-45°，使送出的丝贴在钨极正下方的焊缝中心，调节钨极距焊缝的距离为1.5-3mm。
(九)焊接工艺调整和存储
采取分区间焊接的工艺方法，将连续管全位置焊缝每层分5个区间进行焊接；分3层单道填满坡口：不填丝打底焊，填充焊，盖面焊；焊丝为ER50-6或ER70S-6，直径1.0mm；钨极：铈钨极，直径2.4mm；电源种类及极性：直流正接；层间温度：60-100℃；氩气流量：8-12L/min；起弧位置：不填丝打底焊在钟表1：30位置，填充焊在钟表2：00位置，盖面焊在钟表1：30位置；收弧搭接量：3°-5°。其原因：一是，起弧位置需要较大的脉冲电流，以形成稳定的熔池，1：30、2：00处为下坡焊位置，易造成根部焊透性差，也需要较大的脉冲电流，在此处起弧，与电流条件相匹配；二是，由于收弧时搭接量为3°-5°，所以收弧位置仍然处于下坡焊，在此处收弧时由于热积累影响，可适当减小脉冲电流，利于电弧的平稳衰减，而不影响焊缝根部的焊透性。
所述的分区间焊接，将连续管全位置焊缝每层共分5个区间进行焊接。管-管对接TIG焊过程为全位置焊接，根据全位置焊接时不同位置下熔池的受力分析及热积累对焊缝成形的影响，针对不同位置焊缝成形的缺陷，为获得良好的焊缝成型，采取了分区焊接的工艺方法。
在焊接工艺参数设定如下：
参照图2，不填丝打底焊：分5个区间：0°-80°为第一区间，80°-119°为第二区间，119°-220°为第三区间，220°-310°为第四区间，310°-363°为第五区间，焊接电流74-89A,电压8.0-8.4V，旋转速度170-215‰。
填充焊：分5个区间：0°-60°为第一区间，60°-180°为第二区间，180°-230°为第三区间，230°-270°为第四区间，270°-365°为第五区间，焊接电流65-72A,电压8.6-9.0V，旋转速度200-220‰，送丝速度110-120‰，横摆速度1100-1160mm/min，横摆宽度5-12mm。
盖面焊：分5个区间：0°-60°为第一区间，60°-180°为第二区间，180°-230°为第三区间，230°-270°为第四区间，270°-367°为第五区间，焊接电流60-75A,电压8.6-9.0V，旋转速度140-165‰，送丝速度100-115‰，横摆速度1100-1160mm/min，横摆宽度12-18mm。
(十)运行设备进行自动焊接，调用不填丝打底焊工艺参数进行自动焊打底，在正式焊接前，为了检验程序是否适用于被焊工件，首先进行模拟焊接，观察正常后，再启动“开始焊接”开关焊接，焊接过程中操作人员通过跟踪观察机头运行状态和实时熔池状态进行焊接参数微调，直至打底焊过程结束，打底焊结束后，同理，再调用填充焊、盖面焊程序参数进行焊接。
(十一)焊接完成后，取下冷却块，采用角磨机用80目的角磨片打磨焊道表面余高，打磨至与母材平齐，其作用：一是，连续管下井时须穿过与母材外径相同的注入头夹紧机构；二是，后续无损检测，焊缝处须平整、光滑。
(十二)焊后检验，采用外观检验、渗透探伤检验和X射线检验方法检测焊缝表面是否存在裂纹、气孔等缺陷，若未检出缺陷，表明焊缝内部存在缺陷的可能性较小，由于TIG焊在焊接过程中，若出现微小裂纹、气孔，裂纹、气孔会贯通每层焊道，直至盖面焊道。
所述的管内充填保护气，焊接前，将组对好成同一轴线的连续管两管端利用组对装置前后错开，先向错开的两侧距管端1-1.5米处管内塞入揉成一团的松软水溶性纸阻断连通的连续管，然后向管内通入流量15L/min的氩气保护气，通气5-8分钟后，用打火机火苗在管口检验，若火苗熄灭证明阻断的连续管内已充满氩气，氩气充填质量纯度不小于99.99％，使管内氧气的质量浓度不大于500ppm，以保证焊接时背面焊缝不被高温氧化，成形良好。充满氩气后复位两管端为组对后或充保护气前的状态。
所述的分区间焊接，将连续管全位置焊缝每层共分5个区间进行焊接。管-管对接TIG焊过程为全位置焊接，根据全位置焊接时不同位置下熔池的受力分析及热积累对焊缝成形的影响，针对不同位置焊缝成形的缺陷，为获得良好的焊缝成型，采取了分区间焊接的工艺方法。
步骤七所述的氩气流量为8-12L/min，气体流量对于焊接熔池的连续保护尤为重要，最小流量必须能够保护焊接熔池，克服电弧热或侧风的影响，流量过高，气流会变成紊流引发空气及其中的氧进入到熔池中影响焊缝质量。
步骤九中所述的旋转速度＝V×C/D，其中，V：实际焊接机头旋转线速度(mm/min)；D：连续管外径(mm)；C：特别系数，不同的焊接机头C各不相同，本机头T0A77，C＝83。
步骤九中所述的送丝速度＝0.72Vf，其中，Vf：实际送丝线速度(mm/min)。
本发明全位置自动TIG焊是采用EWA408全位置程控焊接电源与TOA77旋转机头组成管-管全位置自动焊接***，焊接时，用钨极作电极、氩气作保护气，焊枪可绕管壁旋转的一种全位置自动TIG焊接方法。本焊接方法由于氩气在焊接过程中不分解，不与焊缝金属发生化学反应，且不溶解于液态金属，并且TIG焊焊接线能量小，能量集中，焊接热影响区窄，焊接变形小，因而能获得高质量的焊缝；本焊接方法可采用填丝或自熔两种方式，弧长自动调节，弧长横摆自动控制，高的自动化水平，焊接结果重现性高，焊接效果理想。
实施例一
本实施例适用的连续管的尺寸规格和级别是管径31.75mm(1.25′)，壁厚3.18mm，QT800级超细晶粒钢制连续管，屈服强度σs≥552Mpa，抗拉强度σb≥621MPa，采用全位置自动TIG焊。
按照本发明的方法，开V型坡口，坡口加工夹角75°，钝边0.7mm，无间隙组对，焊丝型号规格：ER50-6，φ1.0mm，焊接工艺参数见表1。
表1QT800连续管工艺参数
实施例的焊接接头性能如下：
拉伸试验：
拉伸试验结果(标距50mm)
试样 σb(MPa) δ(％) 断裂状态
连续管母材 605.5 19 母材
焊接接头试样 627 16.7 断裂在热影响区
弯曲试验：焊接接头弯曲试验采用(GB/T2653-1989)标准，弯曲半径10mm、150°冷弯，弯曲后焊接接头未见裂纹。
压扁试验：带焊接接头连续管的压扁试验采用ASTM450标准。按标准和超标准深度压扁，试件均未出现裂纹。
实施例二
本实施例适用的连续管的尺寸规格和级别是管50.8mm(2′)，壁厚5.18mm，QT900级超细晶粒钢制连续管，屈服强度σs≥630Mpa，抗拉强度σb≥715MPa，采用全位置自动TIG焊。
按照本发明的方法，开U型坡口，坡口加工斜面角度25°±2°，钝边长度3mm，钝边厚度1.6mm，过渡圆弧的半径1mm，组对间隙0.5mm，焊丝型号规格：ER70S-6，φ1.0mm，焊接规范参数见表2。
表2QT900连续管工艺参数
本实施例焊后的QT900级连续管焊缝进行外观检验，表面成型良好，无焊接缺陷；依据GB/T5097-2005检验标准对焊接接头进行渗透探伤无损检验，结果符合标准；X射线探伤检验：底片评定等级为Ⅰ级，焊缝内在质量合格。

Claims (1)

1.一种连续管的管管对接全位置自动TIG焊工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(一)矫直截断管端部，距管端500mm范围内粗矫和精矫，使管体直线度达0.85‰，满足矫直精度要求，只有经过粗矫和精矫处理，才可以保证组对后两管体轴线重合，使之能在无应力状态下对接；
(二)坡口加工，采用型号ISY-80内涨式坡口机将两管端加工成V型或U型坡口，V型坡口单边37°±2°，钝边0.5-0.8mm；U型坡口单边斜面角度25°±2°，钝边长度2-3mm，钝边厚度1.5-1.8mm，坡口与钝边之间圆滑过渡，过渡圆弧的半径为1-1.5mm；
(三)管内外除湿，为防止焊接时管内外湿气影响焊接质量，离管端300mm范围内的水渍、油污等产生湿气的介质应清理干净，可采用氧-乙炔火焰均匀加热管体外壁使湿气蒸发或放置适量吸油纸除湿；
(四)管内外壁除锈，作业后的连续管管内外壁由于介质腐蚀出现锈、氧化皮及腐蚀坑，距管端10～15mm范围管内外臂需打磨清理并露出金属光泽，采用直柄角磨机，先用粒度60目棕刚玉锥形圆形磨头粗磨管内外壁，再用粒度80目布基棕刚玉圆柱形磨头抛光；
(五)对口组装，将准备好对口的两个管端放置在专利号ZL201320377421.7一种现场用连续管对口组焊装置上无应力装卡组对，组对间隙0-0.5mm，用一根不长于100mm的直钢板尺检查对中情况，确保对口错变量不大于管壁厚的10％且不大于0.4mm的规定值；
(六)管端加装冷却块，将组对好准备施焊的连续管管端两侧距焊口10-15mm处加装专利号ZL201320377777.0一种连续管对接焊用冷却装置，冷却装置可大大减小焊接热过程对焊缝区域的热输入，降低高温停留时间，减缓晶粒长大，从而改善焊接接头性能；
(七)管内充填保护气，焊接前，向两侧管内充填质量纯度不小于99.99％氩气，氩气流量为8-12L/min，使管内氧气的质量浓度不大于500ppm，以保证背面焊缝不被氧化，成形良好，内保护气体的承托力还可避免和减少内成形出现的内凸现象；
(八)将管-管对接全自动焊接机头TOA77装夹在连续管管体焊口侧，使焊枪正对焊缝并垂直管体切线，调节送丝位置使送丝管与焊枪的夹角为40°-45°，使送出的丝贴在钨极正下方的焊缝中心，调节钨极距焊缝的距离为1.5-3mm；
(九)焊接工艺调整和存储
采取分区间焊接的工艺方法，将连续管全位置焊缝每层分5个区间进行焊接；分3层单道填满坡口：不填丝打底焊，填充焊，盖面焊；焊丝为ER50-6或ER70S-6，直径1.0mm；钨极：铈钨极，直径2.4mm；电源种类及极性：直流正接；层间温度：60-100℃；氩气流量：8-12L/min；起弧位置：不填丝打底焊在钟表1：30位置，填充焊在钟表2：00位置，盖面焊在钟表1：30位置；收弧搭接量：3°-5°；
在焊接工艺参数设定如下：
不填丝打底焊：分5个区间：0°-80°为第一区间，80°-119°为第二区间，119°-220°为第三区间，220°-310°为第四区间，310°-363°为第五区间，焊接电流74-89A,电压8.0-8.4V，旋转速度170-215‰；
填充焊：分5个区间：0°-60°为第一区间，60°-180°为第二区间，180°-230°为第三区间，230°-270°为第四区间，270°-365°为第五区间，焊接电流65-72A,电压8.6-9.0V，旋转速度200-220‰，送丝速度110-120‰，横摆速度1100-1160mm/min，横摆宽度5-12mm；
盖面焊：分5个区间：0°-60°为第一区间，60°-180°为第二区间，180°-230°为第三区间，230°-270°为第四区间，270°-367°为第五区间，焊接电流60-75A,电压8.6-9.0V，旋转速度140-165‰，送丝速度100-115‰，横摆速度1100-1160mm/min，横摆宽度12-18mm；
(十)运行设备进行自动焊接，调用不填丝打底焊工艺参数进行自动焊打底，在正式焊接前，为了检验程序是否适用于被焊工件，首先进行模拟焊接，观察正常后，再启动“开始焊接”开关焊接，焊接过程中操作人员通过跟踪观察机头运行状态和实时熔池状态进行焊接参数微调，直至打底焊过程结束，打底焊结束后，同理，再调用填充焊、盖面焊程序参数进行焊接；
(十一)焊接完成后，取下冷却块，采用角磨机用80目的角磨片打磨焊道表面余高，打磨至与母材平齐；
(十二)焊后检验，采用外观检验、渗透探伤检验和X射线检验方法检测焊缝表面是否存在裂纹、气孔等缺陷，若未检出缺陷，表明焊缝内部存在缺陷的可能性较小，由于TIG焊在焊接过程中，若出现微小裂纹、气孔，裂纹、气孔会贯通每层焊道，直至盖面焊道。
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